보고서 정보
주관연구기관 |
한국화학연구원 Korea Research Institute of Chemical Technology |
연구책임자 |
최희철
|
참여연구자 |
남승은
,
이평수
,
조영훈
,
김인철
,
안은숙
,
박호식
,
김태경
,
김정
,
박유인
,
김준하
,
김상득
,
김여진
,
김성중
,
박천순
,
채희로
,
권세희
,
이혜진
,
이덕로
,
최현규
,
박아름이
,
Aatif Ali
,
김영미
,
정성민
,
김소영
,
양은목
,
박신윤
,
김예지
,
Numan Yanar
,
김영미
,
임승지
,
채성호
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2018-12 |
과제시작연도 |
2018 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO201900017886 |
과제고유번호 |
1711080627 |
사업명 |
한국화학연구원연구운영비지원(주요사업비) |
DB 구축일자 |
2019-11-30
|
초록
▼
1. 연구목표
1) 미래 선도형 해수 담수화용 핵심 분리막 소재 기술 개발
1) 전처리용 세라믹 MF/UF 분리막 소재 개발
- 압출 상전이 기법을 통한 안정적인 세라믹 중공사막 제조 방법 최적화 및 활성층 코팅용 알루미나졸 합성법/코팅법 최적화
- 소재/공정 인자 조절을 통한 높은 기공도를 가진 중공사막 제조기술 확립 및 세계 최고수준의 수투과도 성능 확보
·기공크기 < 20 nm, 수투과도 > 300 LMH
2) FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발
- FO 유도용질 개발
1. 연구목표
1) 미래 선도형 해수 담수화용 핵심 분리막 소재 기술 개발
1) 전처리용 세라믹 MF/UF 분리막 소재 개발
- 압출 상전이 기법을 통한 안정적인 세라믹 중공사막 제조 방법 최적화 및 활성층 코팅용 알루미나졸 합성법/코팅법 최적화
- 소재/공정 인자 조절을 통한 높은 기공도를 가진 중공사막 제조기술 확립 및 세계 최고수준의 수투과도 성능 확보
·기공크기 < 20 nm, 수투과도 > 300 LMH
2) FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발
- FO 유도용질 개발
·NaCl 대비 삼투압 > 50%, 정삼투 Flux > 20 LMH, Reverse salt flux < 0.1 g/L, 회수율 > 50%
- 유도용액 회수용 분리막 개발
·유도용질 용액 flux > 20 LMH, 유도용질 제거율 > 90%, 운전압력 < 30 bar
3) MD 및 PRO 공정용 분리막 소재 개발
- MD 용 중공사막 최적화 및 모듈화 연구
·수투과도 > 15 LMH, 막모듈 크기 L 30 x Ø 2.5 cm
- PRO 용 중공사막 최적화 및 모듈화 연구
·전력밀도 5W/m2
4) 나노융합 초박형 분리막 소재 개발
- Auto-Casting 장비 구동 및 평막 합성 자동화 및 대면적화
·고투과성 초박형 분리막 대면적화
- 나노소재 및 나노섬유 중 PRO용 최적 분리막 선정
·전력밀도 > 5 W/m2
5) 소재/모듈 공정 최적화 모델링
- 해수담수화 공정별 분리막 모듈 성능인자 도출
- 성능인자의 최적 범위 제안
2. 주요 연구내용
1) 세라믹 UF 중공사막 분리막 소재 개발
- UF 중공사막 제조를 위한 고성능 세라믹 중공사막 지지체 제조 연구
- UF 활성층 코팅을 위한 나노 입자 합성 및 기공 제어 기술 연구
2) FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발
- PEI 기반 고삼투압 FO 유도용질 합성/평가 연구
- 유도용질 회수용 분리막 제조 연구
3) MD 및 PRO 공정용 분리막 소재 개발
- 셀룰로오즈계 고분자를 통한 PRO 용 중공사막 제조-평가 연구
- 불소계 고분자를 통한 막증류 공정용 소수 다공성 중공사막 제조-평가 연구
- 막증류 공정용 소수-친수 하이브리드 다공성 중공사막 제조-평가 연구
4) FO/PRO용 차세대 초박형 분리막 소재 합성 및 최적화
- 탄소계 나노입자 기반 분리막 제조-평가 연구(수투과도, 전력밀도, 내오염성)
- 고분자 나노섬유 기반 분리막 제조-평가 연구(수투과도, 전력밀도, 내오염성)
5) 소재/모듈 공정 최적화 모델
- 해수담수화 분리막 모듈 성능인자 도출
- 민감도 분석을 통한 공정별 막 모듈 성능인자 도출 및 분석
- 성능인자의 최적 범위 제안
- 문헌 조사를 통한 성능인자 제한 범위 선정
- 막 모듈 성능인자 최적 범위 제안 기술 개발
6) 위탁 연구
- 유기용매개질 계면중합기술(SIP) 및 용매 처리 활성화 기술(SAT)을 이용한 고성능 역삼투 분리막 제조기술 개발
- 상전이 기반 PAN 지지체 개발 및 SIP/SAT 기술을 활용한 고성능 정삼투 분리막 제조기술 개발
3. 주요 연구개발 결과 및 성과
1) 세라믹 MF 중공사막 분리막 소재 개발
- 상전이-압출 공정 최적화를 통해 UF급 지지체 용으로 활용도가 높은 중공사 분리막 제조 기술 확보
- 알루미나 졸-겔 코팅 기술 도입 및 신규 코팅기술 개발을 통한 기공 크기 20 nm 이하 UF 복합 중공사막 (세계최고성능) 제조기술 개발
2) FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발
- PEI 기반의 PEI800-K 유도용질 합성을 통해 FO 투과유량은 23.5 LMH, reverse salt flux는 0.7 GMH인 유도용질 개발
- 다공성 폴리설폰 및 폴리에틸렌 상의 개질 및 계면중합을 통해 제조된 복합 나노여과막 기반 유도용질 회수용 분리막 제조기술 확보(회수 시 투과유량은 22-27 LMH (at 30bar), 제거율은 95-99% 이상)
3) MD 및 PRO 공정용 분리막 소재 개발
- 고압의 운전조건에서 막의 강도를 유지할 수 있는 PRO용 분리막 제조를 위해 NTIPS을 사용한 셀룰로오즈 아세테이트계 중공사막 개발 (전력밀도 5.6 W/㎡).
- 불소계 고분자를 통한 막증류 공정용 소수 다공성 중공사막 제조를 통해 수투과도가 6.4∼17.8 LMH(T: 50℃, 염 농도: 3.5%)인 PTFE 분리막 제조기술 확보
- 알루미나 중공사막에 FAS 그라프팅을 통해 소수-친수성 하이브리드 중공사막 제조기술 확보를 통해 막증류 공정에서 수투과도가 17.2 LMH(T: 80℃, 염 농도:3.5% 진공압: 10 torr)인 하이브리드 중공사막 제조 기술확보
4) FO/PRO용 차세대 초박형 분리막 소재 합성 및 최적화
- PES/PAN 복합 나노섬유 초박형 FO 공정 분리막 개발을 통하여 수투과도 52 LMH를 갖는 고성능 FO 분리막 소재 확보
- 분리막 대면적화를 위한 탄소계 나노소재 적용 초박형 FO 공정 중공사 분리막 개발
- HNT복합 PRO 공정 분리막 소재 개발 (전력밀도 3.3W/m2)
- 소재 및 패턴에 따른 3D프린팅 분리막 외부지지체 개발
5) 소재/모듈 공정 최적화 모델링
- 3차원 중공사 분리막 모듈 모델을 활용한 DB 구축
- 인공지능기반 메타 모델을 적용한 3차원 중공사 분리막 모듈 성능 예측 모델 개발
- 메타모델을 활용한 모듈 성능인자 도출 및 최적 범위 제안
6) 위탁 연구
- SAT 기술의 새로운 용매 선정, 공정 및 조성변수의 최적화를 통해, 상용 분리막 이상의 고성능·고내구성 역삼투 분리막을 제조.
- SAT 기술을 정상투 분리막 제조에 적용하여, 상용 분리막 이상의 고성능 정삼투 분리막을 제조.
연구성과
- 본 과제를 통하여 국내 특허 2건 출원완료, 4건 등록(2건 진행 중), 국외 SCI 논문 6건 게재 및 7건 심사중.
IF>3이상 논문 5 건, ( ) 특허 출원 및 논문 게제 진행중
4. 활용분야 및 계획
1) 활용분야
- 분리막 기반 해수담수화 플랜트 시장수요 및 중요성은 급격히 확대되고 있으나 핵심기술인 분리막 소재는 수입에 의존하고 있으며, 현재 국내에서 수행중인 해수담수화 관련 대형 국책사업은 시스템 위주의 연구개발 이므로, 해수담수화용 핵심 분리막 연구룰 수행중인 본 연구사업의 성과물을 기존 사업과 연계하여 국내 기술 자립형 해수담수화 기술 개발에 활용이 가능할 것으로 판단됨.
- 또한 정삼투, 막증류 공정 등 차세대 해수담수화 분리막 소재, 모듈화 기술 개발 병행을 통해 미래선도형 해수담수화 플랜트 상용화 실현가능.
- 해수담수 전처리 공정에 효율적 사용이 가능한 핵심소재인 세라믹 분리막은 향후 수처리 뿐만 아니라 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 음료, 제지, 발전소 등 다양한 극한 환경을 요구하는 시장으로 확대가 가능한 포괄적인 기술 분야임.
- 내화학성 및 친수성을 갖는 중공사막 소재 기술개발에 의해 기체, 유증기, 유기용매 분리막으로 확대 적용이 가능함.
2) 계획
- 주요사업을 통해 도출된 해수담수화 중공사막 분리막 제조 기술개발 결과에 대한 성능향상 연구수행 및 해수담수화 맞춤형 분리막 및 모듈화 기술 연계
- 산학연 협동연구 및 국제 공동 연구 체계 구축을 통한 기술 성숙도 향상 및 성과 홍보
- 산학연(GIST, 동국 R&S, 롯데케미칼) 및 국제공동(Porifera, LANL, U. Tech. Sydney) 협력 사업으로의 연계를 통한 성과 확산
- 국내외 수처리 분리막 제조 기술 보유 산학연 공동연구 추진을 통한 기술 이전 토대 마련
- 해수담수화 관련 사업 기획, 제안을 통한 신규 중대형 과제 추진
5. 기대효과
1) 녹색성장 및 신성장동력 창출 효과
- [에너지와 자원 절약] 고효율 분리막 소재 개발을 통해 담수화에너지 30% 절감(4kWh/m3 → 2.5kWh/m3)을 통해 담수화 비용 최소화, 해양 자원 회수효율 증가 및 담수화 에너지 절감에 따른 온실가스 배출량 저감 효과가 기대됨.
2) 과학기술적 성과
- 고성능 신규 분리막 및 모듈 개발을 통하여 고효율 해수담수화 원천 기술 확보 및 플랜트화가 기대됨.
- 고유량 담수용 분리 기술 확보로 에너지 소비 체계의 획기적 개선이 기대됨.
- 상업화를 통한 분리막 사업 중의 규모가 가장 큰 시스템 및 엔지니어링 시장으로 진출이 가능할 것으로 판단됨.
- 해수담수화 기술과 연계된 고부가가치 기술을 개발하고 핵심 분리막 소재의 기술 자립도를 높임.
3) 경제·사회적 성과
- 분리막 소재 개발은 연 성장률 8~15%에 이르는 시장으로 사업화 5년 이내 100억원 이상의 수출 및 담수화용 분리막 시장의 20% 차지.
- 전체 시장규모가 60조원 이상인 해수담수화 관련 시장 선점.
- 역삼투 방식 해수담수화 설비 증가 및 대형화 추세(2005년 45%, 2015년 61%)에 따른 플랜트 실용화로 경제 발전 및 신규 일자리 창출 효과.
- 하·폐수 재이용, 반도체 및 원전용 초순수, 비상용 음용수, 발전용, 바이오 등 타 분야로 확장 진출.
- 해수담수화 분리막 기술의 기반구축으로 분리막 신제품 개발촉진 및 관련 산업의 국제 경쟁력 강화.
- 기술개발을 통해 국가경쟁력을 강화 및 국가위상 재고.
6. 차년도 연구계획
하이브리드 해수담수화용 분리막 대면적화 기술 개발 (KRICT)
- 전처리용 대면적 분리막 모듈 개발 (200 LMH, 2m2)
- 해수담수화용 대면적 분리막 모듈 개발 (10LMH, 2m2)
- 압력지연삼투 분리막 모듈 개발 (5W/m2, 1m2)
- 분리막 모듈 성능 예측오차 및 모듈 성능 향상: 5% 이상
- 나노소재 기반 해수담수화 분리막 소재 개발 (15 LMH, 5 W/m2)
하이브리드 해수 담수화 시스템 최적화 및 모듈화 기술 개발 (GIST)
- 해수담수화 하이브리드 공정 모델 개발 및 최적 공정 설계안 도출
- 해수담수화 하이브리드 시스템에 적용되는 분리막 모듈 적합성 검토
- 3D 프린팅 기반 분리막 모듈 핵심부품(스페이서) 성능 검증
7. 출구전략
1) 해수담수화용 분리막 소재 선정 및 제조 기술 연구를 통한 기반 기술 확보
2) 국내외 성과 발표 및 특허 출원/등록을 통한 원천/핵심 기술 확보
3) 분리막 핵심 소재 기술 확립을 통한 및 기술 이전 추진
4) 중대형 연구과제 수주 추진
(출처 : 요약서 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 12018년 주요사업 연구결과 요약서 ... 21. 연구과제 개요 ... 62. 연구목표 ... 10 가. 최종 연구목표 ... 10 나. 당해 연도 연구목표 ... 103. 주요 연구내용 ... 13 가. 과년도 추진경과 ... 13 나. 당해 연도 주요 연구내용 ... 134. 주요 연구개발 결과(연구개발목표의 달성도) ... 15 가. 해수담수화 전처리용 세라믹 MF/UF 분리막 소재 개발 ... 15 나. FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발 ... 25 다. MD 및 PRO 공정용 분리막 소재 개발 ... 38 라. 나노융합 초박형 분리막 소재 개발 ... 51 마. 소재/모듈 공정 최적화 모델링 ... 625. 연구개발의 성과 ... 70 가. 과제별 기술성취수준 ... 70 나. 정성적 성과 ... 70 다. 정량적 성과 ... 716. 연구성과 활용계획 ... 727. 기대효과 ... 73 가. 과학기술적 관점 ... 73 나. 경제적 관점 ... 73 다. 사회적 관점 ... 73첨부1) 차년도 주요사업 연구계획 요약서 ... 74첨부2) 중장기 연구개발로드맵 ... 84끝페이지 ... 84
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